第二节　水文现象基本规律与研究方法

一、水文现象的基本规律

地球上的水在太阳辐射和重力的作用下，以蒸发、降水和径流等方式周而复始地循环，这些现象称为水文现象。自然界水文现象的发生和发展过程，由于受气象要素和地质、地貌、植被等下垫面因素以及人类活动的影响，情况是十分复杂的。但是，人们可以从中寻求出一些规律和特性认识这些规律和特性，有利于开展水文研究和业务工作。总体说来，这些水文现象具有时间变化和空间分布上的规律。

1.时间变化规律

水文现象在时间变化上与其他自然现象一样，具有必然性和偶然性，在水文学中通常称前者为确定性，后者为随机性。

（1）水文现象的确定性规律。河流每年都具有丰水期和枯水期的周期性交替规律，冰雪水源的河流则具有以日为周期的流量变化规律，产生这些现象的根本原因是地球公转、自转和周期性变化。再如，在流域上降落一场暴雨，相应地就会出现一次洪水。如果暴雨强度大、历时长、笼罩面积广，产生的洪水就大；反之，则小。显然，暴雨与洪水之间存在着因果关系。由此说明水文现象都具有客观发生的原因和具体的形成条件，从而存在确定性的规律，也称为成因规律。它具体又包含了周期性成分和非周期性成分。周期成分：是以一定时间间隔重复出现的成分。如河流每年都有一个汛期和一个非汛期，在冰雪水源的河流上水文现象具有日周期变化，有些河流还具有连续干旱或洪涝多年变化的周期；非周期性：趋势、跳跃成分是连续或突然上升或下降的一种成分。如水库下游的年径流量在水库修建前后有一个突然下降的成分，有些湖泊由于泥沙淤积水位有逐年上升的趋势。

（2）水文现象的随机性规律。影响水文现象的因素错综复杂，其确定性规律常常不能完全用严密的数理方程表达出来，于是，在一定程度上又表现出非确定性，称随机性。例如根据暴雨洪水的成因规律进行洪水预报，尽管能取得较好的效果，但由于计算中忽略了一些次要的偶然因素的干扰，从而使预报成果表现出某种程度的随机误差。河流某断面每年出现最大洪峰流量的大小和它们出现的具体时间各年不同，也具有随机性，即未来的某一年份到底出现多大洪水是不确定的。但通过长期观测可以发现，特大洪水和特小洪水出现的机会很少，中等洪水出现的机会多，多年平均值则是一个趋于稳定的数值，洪水大小和出现机会形成一个确定的概率分布，这就是所说的随机性规律，因为要掌握这种规律，常常需要统计学的知识，由大量的资料分析出来，故又称统计规律。它具体包含了独立随机成分和相依随机成分。独立随机成分（纯随机）：现象之间互不影响，完全独立。如河流中每年最大洪峰流量年年不同，汛期出现的时间有前有后、有长有短；相依随机成分（自相关）：现象之间按照顺序不是独立的，具有一定的相关关系。如持续丰水年组或枯水年组。

2.空间分布规律

水文现象在空间变化上，还具有相似性和特殊性规律。

（1）相似性。不同流域所处的地理位置（经纬度、距海远近等）相似，气候条件与下垫面条件也相似，那么由相类似的气候及地理条件综合影响而产生的水文现象，在一定程度上就具有相似性。如湿润地区河流的径流年内分配比较均匀，而干旱地区河流的径流年内分配就很不均匀。

（2）特殊性。不同流域虽然所处的地理位置与气候条件相似，但由于下垫面条件的差异，也会有不同的水文现象，这就是水文现象的特殊性。如在同一气候区，山区河流与平原河流的洪水运动规律就不相同；岩溶地区与非岩溶地区河流的水文规律也不相同。

总之，水文现象的相似性是相对的，而水文现象的特殊性是绝对的。

从上述水文现象的基本特性可以看出，水文现象的变化规律是错综复杂的。为了寻找它们的变化规律，做出定性的和定量的描述，首要的工作是进行长期的、系统的观测工作，收集和掌握充分的水文资料。根据不同的研究对象和资料条件，采取各种有效的分析研究和计算方法。在水文计算中经常采用的方法有成因分析法、数理统计法以及地区综合法等，这些方法是相辅相成，互为补充的。当今水文模型的应用，包括物理模型和数学模型，特别是水文数学模型引起了人们的重视，丰富了现有的水文计算方法。

二、水文研究方法

根据水文现象的基本规律，其研究方法相应地也分为以下几种：

（1）成因分析法。水文现象与其影响因素之间存在着成因上的确定性关系，通过对实测资料和实验资料加以分析研究，可以从水文过程形成的机理上建立某一水文现象与其影响因素之间确定性的定量关系，这样，就可以根据过去和当前影响因素的状况，预测未来的水文现象。这种利用水文现象确定性规律来解决水文问题的方法，称为成因分析法，它在水文分析计算中得到广泛应用。

（2）数理统计法。根据水文现象的随机性，以概率理论为基础，运用频率计算方法，可以求得某水文要素的概率分布，从而得出工程规划设计所需要的设计水文特征值。利用两个或多个变量之间的统计关系（相关关系），进行相关分析，以展延水文系列使其更具有代表性。

（3）地区综合法。根据气候要素和其他地理要素的地区性规律，可以按地区研究受其影响的某些水文特征值的地区变化规律。这些研究成果可以用等值线图或地区经验公式表示出来，如多年平均径流深等值线图、洪水地区经验公式等，称为地区综合法。利用这些等值线或经验公式，可以求出资料短缺地区的水文特征值。

（4）耦合法。将成因分析法、数理统计法、地理综合法等进行组合而产生的研究方法，称为耦合法。如实时洪水预报方法就是用成因分析法进行产汇流预报，用数理统计法进行误差实时校正；单位线的地区综合公式就是用成因分析法推求单位线的参数，用地理综合法进行参数的地区综合。